基于Kaiser窗FFT四峰插值的电能计量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于Kaiser窗FFT四峰插值的电能计量方法，包括：基于Kaiser窗FFT四峰插值修正公式、FFT的频移性和窗函数Kaiser的频谱在基波、谐波和间谐波峰值频率点左、右四条对称谱线的幅值，利用多项式拟合公式，得到信号基波、谐波和间谐波的通用幅值、相位和频率插值修正公式；根据通用幅值、相位和频率插值修正公式计算被测电压信号、电流信号的基波、谐波和间谐波的幅值、相位和频率参量；进而计算基波电能、谐波电能、间谐波电能和总电能。本发明专利技术具有如下优点：四峰插值修正算法，充分利用了幅值频率点左右四条谱线的对称性和Kaiser窗函数的优良的主、旁瓣性能，具有较高的计算准确度。

【技术实现步骤摘要】
基于Kaiser窗FFT四峰插值的电能计量方法
本专利技术涉及供电系统电能计量领域以及数字化电能计量领域，具体涉及一种基于Kaiser窗FFT四峰插值的电能计量方法。
技术介绍
随着越来越多的电气化铁道、轧钢机、电弧炉、电动汽车充电桩、提升机、智能家电、电梯等非线性动态电力负荷的投入使用，在供电电网中产生了大量电力谐波和间谐波。大量电力谐波、间谐波、直流衰减、电压跌落等干扰成分，造成了供电电网电流、电压波形的畸变。这些干扰的存在，不仅严重影响供电电能质量，危及供电系统的安全稳定运行，甚至导致严重的电力事故，造成巨大的经济损失，而且影响电能计量的准确性。电能是电网公司、售电公司等进行经济核算的依据，其能否被正确、准确地计量，直接关系到电力供需双方的经济效益。传统的电能计量方式，是直接按电能定义，将电压、电流信号的瞬时采样值相乘、再进行时间积分来计算电能的所谓全电能计量方式。而风力发电机和光伏电站的并网发电，以及电弧炉、轧钢机、电力机车、充电桩等非线性动态电力负荷的大量投运，在供电电网中，不仅作为负荷要消耗功率，而且作为谐波源、污染源，造成供电电流、电压波形畸变的同时，会向供电电网注入大量谐波及间谐波功率等。若按传统的全电能计量方式，谐波源用户虽然会向电网注入大量谐波干扰，却还少交电费；而广大的普通用电户不仅受到谐波的干扰和危害，而且还要多交电费；同时，这种全电能计量方式也没有考虑因非同步采样而导致的频谱泄露和栅栏效应，故采用这种电能计量方式，无疑可能带来较大误差。而另一种所谓基波电能计量方式，虽然可解决普通电力用户的用电公平性问题，使普通电力用户不必为谐波电能多交电费，但谐波源用户仍仅需支付基波电能电费，而其向供电电网注入的电力谐波污染却未受到任何处罚。可见，不论是采用全电能计量方式还是使用基波电能计量方式，均未能解决如何对谐波源用户向供电电网注入谐波、间谐波等所造成电能计量不准确的问题，更谈不上如何通过惩罚措施尽可能削弱谐波源用户向供电系统注入谐波等干扰。因此，针对具体、典型动态非线性负荷造成供电系统电流、电压波形畸变，如何更准确地提取出基波、谐波和间谐波的幅值、相位和频率等参数，是高精度电能计量的一个前提。常用的方法是对被测信号施加窗函数，傅里叶变换、插值修正等运算。具体是在对被测信号进行FFT前，施加合适的窗函数，以抑制因非同步采样和非整周期截断造成的频谱泄漏；再借助插值修正，补偿栅栏效应导致的误差。论文“基于多项式逼近的单峰谱线插值算法在间谐波分析中的应用”(肖先勇等.电网技术，2008)，给出了基于Hanning窗、Hamming窗、Blackman-Harris窗、Rife-Vincent窗的单峰谱线插值修正公式；论文“应用FFT进行电力系统谐波分析的改进算法”(庞浩等.中国电机工程学报，2003)，给出了基于矩形窗、Triangle窗、Hanning窗、Hamming窗、Blackman窗的双峰插值修正公式；论文“基于三谱线插值FFT的电力谐波分析算法”(牛胜锁等.中国电机工程学报，2012)、论文“基于五项莱夫-文森特窗的三谱线插值FFT谐波分析”(朱俊伟等.电气技术，2015)、论文“基于Nuttall窗的三峰插值谐波算法分析”(翟瑞淼等.电力系统保护与控制，2015)，分别给出了基于Hanning窗、Hamming窗、Blackman窗、Blackman-Harris窗、Rife-Vincent窗、Nuttall窗的三峰谱线插值修正公式。但这些已有算法仍存在的问题是：1)由于窗函数的频谱性能是固定不变的，故在对动态信号进行加窗插值修正算法时，计算精度受到窗函数固定旁瓣性能的限制，导致被测信号中的谐波成分由于受到频谱泄露的影响的无法精确提取；2)单峰谱线插值修正公式较复杂、易受频谱泄漏影响，双峰谱线算法对峰值频点附近蕴含谱线信息利用不充分，三峰谱线算法未考虑峰值频点左右对称谱线的全面信息，均难以满足高精度电能计量的要求；3)现有插值修正算法中，普遍存在偶次谐波电能计算准确度较差的问题。有鉴于此，有必要提供一种基于Kaiser窗FFT四峰插值的电能计量方法，以满足实际应用需要。
技术实现思路
本专利技术旨在至少解决上述技术问题之一。为此，本专利技术的目的在于提出一种基于Kaiser窗FFT四峰插值的电能计量方法，充分利用峰值频率点左右四条谱线的对称性和Kaiser窗函数的优良的主、旁瓣性能，以达到高精度电能计量的要求。为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种基于Kaiser窗FFT四峰插值的电能计量方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：基于Kaiser窗FFT四峰插值修正公式、FFT的频移性和窗函数Kaiser的频谱在基波、谐波和间谐波峰值频率点左、右两侧四条对称谱线的幅值，利用多项式拟合，得到信号基波、谐波和间谐波的通用幅值、相位和频率插值修正公式；S2：根据所述通用幅值、相位和频率修正公式计算被测电压信号、电流信号的基波、谐波和间谐波的幅值、相位和频率参量；S3：根据所述被测电压信号、电流信号的基波、谐波和间谐波的幅值、相位和频率参量分别计算出基波电能、谐波电能、间谐波电能和总电能。根据本专利技术实施例的基于Kaiser窗FFT四峰插值修正的电能计量方法，Kaiser窗函数是一组可调的窗函数，通过自由选择形状参数β来调整主瓣宽度和旁瓣高度的比重，β值越大，窗函数频谱的主瓣宽度越宽，旁瓣峰值越小。本专利采用形状参数β＝22的Kaiser窗函数，其主瓣宽度是28π/N，旁瓣峰值为-172dB，旁瓣衰减速率14dB/otc，具有较好的主、旁瓣性能。另外，根据本专利技术上述实施例的基于Kaiser窗FFT四峰插值修正的电能计量方法，还可以具有如下附加的技术特征：进一步地，步骤S1进一步包括：S101：基于Kaiser窗FFT四峰插值修正公式、FFT的频移性和窗函数Kaiser的频谱在基波、谐波和间谐波峰值频率点左、右两侧四条对称谱线的幅值表达出四峰谱线幅值比值参数γ的公式；S102：对比值参数γ进行多项式拟合逼近，拟合出基于Kaiser窗FFT四峰谱线的通用频率修正系数δ的公式；S103：根据被测信号的幅值公式拟合出通用的幅值修正系数g(δ)的公式；S104：根据通用的幅值修正系数g(δ)的公式和通用频率修正系数δ的公式得到通用幅值修正公式、通用相位修正公式和通用频率修正公式。进一步地，步骤S2进一步包括：S201：对电压、电流信号分别施加Kaiser窗函数，并进行FFT变换以得到所述Kaiser窗函数的频谱；S202：利用峰值检测技术，分别检测出被测电压、电流信号的基波、谐波以及间谐波峰值点左、右两侧的四条对称谱线的幅值；S203：利用四峰谱线幅值比值参数比值公式，分别计算出电压、电流信号的基波、谐波以及间谐波峰值点处的四峰谱线幅值比值参数γ的值；S204：根据电压、电流信号的基波、谐波以及间谐波峰值点处的四峰谱线幅值比值参数γ的值，并根据所述Kaiser窗FFT四峰插值修正公式计算被测信号基波、谐波以及间谐波峰值点处的频率修正系数δ的值；S205：根据修正系数δ的值得到被测信号基波、谐波以及间谐波峰值点处的幅值修正系数g(δ)的值；S206：根据修正系数δ的值和修正系数g(δ)的值插值修正本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于Kaiser窗FFT四峰插值的电能计量方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：基于Kaiser窗FFT四峰插值修正公式、FFT的频移性和窗函数Kaiser的频谱在基波、谐波和间谐波峰值频率点左、右两侧四条对称谱线的幅值，利用多项式拟合，得到信号基波、谐波和间谐波的通用幅值、相位和频率插值修正公式；S2：根据所述通用幅值、相位和频率修正公式计算被测电压信号、电流信号的基波、谐波和间谐波的幅值、相位和频率参量；S3：根据所述被测电压信号、电流信号的基波、谐波和间谐波的幅值、相位和频率参量分别计算出基波电能、谐波电能、间谐波电能和总电能。

【技术特征摘要】
1.一种基于Kaiser窗FFT四峰插值的电能计量方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：基于Kaiser窗FFT四峰插值修正公式、FFT的频移性和窗函数Kaiser的频谱在基波、谐波和间谐波峰值频率点左、右两侧四条对称谱线的幅值，利用多项式拟合，得到信号基波、谐波和间谐波的通用幅值、相位和频率插值修正公式；S2：根据所述通用幅值、相位和频率修正公式计算被测电压信号、电流信号的基波、谐波和间谐波的幅值、相位和频率参量；S3：根据所述被测电压信号、电流信号的基波、谐波和间谐波的幅值、相位和频率参量分别计算出基波电能、谐波电能、间谐波电能和总电能。2.根据权利要求1所述的基于Kaiser窗FFT四峰插值的电能计量方法，其特征在于，步骤S1进一步包括：S101：基于Kaiser窗FFT四峰插值修正公式、FFT的频移性和窗函数Kaiser的频谱在基波、谐波和间谐波峰值频率点左、右两侧四条对称谱线的幅值表达出四峰谱线幅值比值参数γ的公式；S102：对比值参数γ进行多项式拟合逼近，拟合出基于Kaiser窗FFT四峰谱线的通用频率修正系数δ的公式；S103：根据被测信号的幅值公式拟合出通用的幅值修正系数g(δ)的公式；S104：根据通用的幅值修正系数g(δ)的公式和通用频率修正系数δ的公式得到通用幅值修正公式、通用相位修正公式和通用频率修正公式。3.根据权利要求2所述的基于Kaiser窗FFT四峰插值的电能计量方法，其特征在于，步骤S2进一步包括：S201：对电压、电流信号分别施加Kaiser窗函数，并进行FFT变换以得到所述Kaiser窗函数的频谱；S202：利用峰值检测技术，分别检测出被测电压、...

【专利技术属性】
技术研发人员：王路，赵云斌，周璐，高磊，欧新，徐媛，张东辉，穆青青，刘晓波，
申请(专利权)人：贵州电网有限责任公司贵阳供电局，国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，
类型：发明
国别省市：贵州,52